天然染料敏化TiO 2太阳能电池的制备及光电性能测试一、实验目的1. 了解染料敏化纳米TiO2太阳能电池的工作原理及性能特点。2. 掌握合成纳米TiO2 溶胶的方法、染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法以及电池的组装方法。3. 掌握评价染料敏化太阳能电池性能的方法。二、 实验原理一、 DSSC 结构和工作原理DSSC 结构： 染料敏化太阳能电池的结构是一种“三明治 ”结构 , 如图 1 所示，主要由以下几个部分组成: 导电玻璃、染料光敏化剂、多孔结构的TiO 2 半导体纳米晶薄膜、电解质和铂电极。其中吸附了染料的半导体纳米晶薄膜称为光阳极，铂电极叫做对电极或光阴极。DSSC 电池的工作原理：电池中的TiO 2 禁带宽度为3.2 eV，只能吸收紫外区域的太阳光，可见光不能将它激发，于是在TiO 2 膜表面覆盖一层染料光敏剂来吸收更宽的可见光，当太阳光照射在染料上，染料分子中的电子受激发跃迁至激发态，由于激发态不稳定，并且染料与 TiO 2 薄膜接触，电子于是注入到TiO 2 导带中，此时染料分子自身变为氧化态。注入到 TiO 2 导带中的电子进入导带底，最终通过外电路流向对电极，形成光电流。处于氧化态的染料分子在阳极被电解质溶液中的I- 还原为基态，电解质中的I 3-被从阴极进入的电子还原成 I-，这样就完成一个光电化学反应循环。但是反应过程中，若电解质溶液中的I-在光阳极上被 TiO 2导带中的电子还原， 则外电路中的电子将减少，这就是类似硅电池中的“暗电流 ”。整个反应过程可用如下表示: (l) 染料 D 受激发由基态跃迁到激发态D*：D + hv D*(2) 激发态染料分子将电子注入到半导体导带中：D* D+ + e-(3) I-还原氧化态染料分子：3I- + 2D+ I3- + 2D (4) I 3-扩散到对电极上得到电子使I-再生：I3- +2e- 3I-(5) 氧化态染料与导带中的电子复合：D+ + e- D (6) 半导体多孔膜中的电子与进入多孔膜中I 3- 复合： I 3- +2e- 3I-其中，反应 (5)的反应速率越小，电子复合的机会越小，电子注入的效率就越高；反应(6)是造成电流损失的主要原因。光阳极目前， DSSC 常用的光阳极是纳米TiO 2。TiO 2 是一种价格便宜，应用广泛，无污染，稳定且抗腐蚀性能良好的半导体材料。TiO 2 有锐钛矿型 (Anatase)和金红石型 (Rutile) 两种不同晶型，其中锐钛矿型的TiO 2 带隙 (3.2eV) 略大于金红石型的能带隙(3.l eV) ，且比表面积略大于金红石，对染料的吸附能力较好，因而光图 1 ...
